稀有气体氦气的介绍与应用

技术中心 / 2023-12-18 10:43:19 氦气 稀有气体

一、氦气的发现

氦气的发现可以追溯到19世纪末20世纪初。氦是在地球上首次被观察到，并且是太阳光谱中首次被探测到的元素。

在1868年的日食期间，法国天文学家皮埃尔·詹森观察到了太阳光谱中的一个新的黄线，这个黄线后来被确定为氦的谱线。因为这个元素是在太阳光谱中被首次发现的，它得名于希腊神话中的太阳神Helios。

然而，直到1895年，英国科学家威廉·拉姆齐和约翰·斯特拉特利首次在地球上成功分离出氦气。他们在地球的气体中找到了这种新的元素。氦是通过在矿泉水中寻找气体来发现的，因此氦的名字也与希腊语中的“Helios”（太阳）相关。威廉·拉姆齐后来因此而获得了1904年的诺贝尔物理学奖。


二、氦气的应用

1. 气球和飞艇充气： 由于氦气的密度比空气小，具有较小的分子质量，因此被广泛用于充气气球和飞艇。它比空气轻，能够提供足够的浮力，使得气球能够飘浮在空中。


2. 低温实验和设备： 液态氦是一种极低温冷却剂，常用于实验室中的超导体研究和其他需要极低温度的实验。液态氦的沸点很低，约为-268.93摄氏度，使得它成为一种理想的低温介质。


3. 医疗领域： 氦气在医疗领域中也有应用，主要用于增氧疗法。氦气和氧气混合使用时，由于氦的低密度，呼吸时可以减少气体的阻力，有助于提高呼吸的效率。这在某些呼吸系统疾病的治疗中具有一定的帮助。


4. 激光技术： 氦气常被用作激光介质，特别是在氦氖激光器中。氦氖激光器广泛用于科学研究、医疗、通信和其他领域。


5. 太空探测： 氦气也被用作太空探测器中的冷却剂，因为其低温性质使其适用于冷却敏感的仪器和设备。


氦气的低密度、低温性质以及化学稳定性使其在各种应用中都发挥着重要的作用。然而，由于氦是地球上相对较为稀缺的元素，人们也在考虑节约使用和寻找替代方案以确保氦资源的可持续利用。


三、地球上氦气的由来以及储量

氦气在地球上主要来自两个主要的来源：地壳中的放射性衰变和太阳风。

1. 地壳中的放射性衰变： 氦气的一个主要来源是地壳中的放射性衰变。放射性元素如铀和钍在地壳中存在，并通过放射性衰变逐渐分解为其他元素，其中包括氦。氦气是一种惰性气体，因此它在地壳中不易与其他元素反应，而是相对稳定地存在于地下岩石和土壤中。当这些岩石和土壤受到侵蚀或地下水的影响时，氦气会被释放到大气中。


2. 太阳风： 太阳风是另一个地球上氦气的来源。太阳风是由太阳表面高温等离子体的流动产生的，其中包含大量的氦。太阳风中的氦在太阳系中扩散，一部分也到达地球。然而，太阳风中氦的贡献相对较小，地壳中的放射性衰变是氦气在地球大气中的主要来源。


关于氦在地球大气中的含量，氦是大气中非常稀薄的气体，占总体积的约0.0005%。由于其轻质和不易与其他元素反应的性质，氦主要分布在地球的高层大气中。在地球的低层大气中，主要是氮、氧等较重的气体。

四、最接近绝对零度的“固体”
氦的相变温度取决于压力。在标准大气压下（1大气压，约为101.3千帕），氦的相变温度如下：


1. 液态氦： 氦气在标准大气压下的沸点约为-268.93摄氏度或4.15开尔文。这是氦气在常规条件下从气态转变为液态的温度。


2. 固态氦： 氦的凝固点在标准大气压下约为-272.2摄氏度或0.95开尔文。这是氦气在常规条件下从液态转变为固态的温度。


这些温度都非常低，说明氦在常规的大气温度和压力下主要存在于气态形式。在实际应用中，液态氦主要用于低温实验和技术，而固态氦的研究通常需要更极端的温度和压力条件。


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